智能汽車中機器人操作系統(tǒng)的解析

ROS與智能駕駛

ROS全稱Robot Operating System，直接翻譯就是機器人操作系統(tǒng)。雖然名字里含有“操作系統(tǒng)”的字眼，但ROS與Windows和Linux等操作系統(tǒng)不一樣，它實際上是一套軟件庫和工具，可以幫助用戶快速建立機器人應用程序。在軟件層面上，ROS是一種中間件。什么是中間件？中間是相對的，有“上”和有“下”的時候就有“中間”。這感覺就像是“中產(chǎn)階級”，沒有嚴格界限。所以在有上層軟件和底層軟件的語境下，這中間的軟件就是“中間件”。ROS就是介于底層操作系統(tǒng)（如Linux）和上層業(yè)務應用軟件（如OpenCV）之間的中間件。

那么ROS能出現(xiàn)在焉知智能汽車的公眾號里，它跟智能汽車又有什么關系呢？ 實際上智能汽車就是一種機器人。舉個例子，您有沒有覺得家里的掃地機器人和智能駕駛汽車非常像？近年來，智能駕駛無疑是汽車工業(yè)的當紅炸子雞，而汽車的智能駕駛化實質(zhì)上也是汽車的機器人化。我們常說的“感知”、“決策”和“規(guī)控”等，其實也是來自于機器人領域。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的功能域控制器劃分，電子電氣架構(gòu)的演變都能或多或少看到機器人的影子。甚至有些公司就是借用機器人傳統(tǒng)術語來作為傳統(tǒng)車企智能化改革的口號和產(chǎn)品藍圖。

機器人是多專業(yè)知識交叉的學科，通常涉及傳感器、驅(qū)動程序、多機通信、機械結(jié)構(gòu)、算法等，為了更高效地進行機器人的研究和開發(fā)，選擇一個通用的開發(fā)框架非常必要。而ROS就是最流行的框架之一。當機器人和智能駕駛汽車一相逢，ROS順理成章的成了很多團隊開發(fā)智能駕駛的選擇，很多智能駕駛的算法應用都是基于ROS來開發(fā)的。中國智能駕駛界大名鼎鼎的“Apollo”就是基于ROS二次開發(fā)改進的。而從另一個角度來看，近年來ROS也成為了智能網(wǎng)聯(lián)工程師崗位招聘要求的高頻詞。熟練掌握ROS的汽車工程師毫無疑問是人才市場上的“香餑餑”。

02 ROS歷史簡介

首先提一下，ROS有ROS1和ROS2兩個大分支。沒有特別說明時，一般ROS都指ROS1。簡單來說ROS由來已久，進化過程中發(fā)現(xiàn)已有架構(gòu)必須革新才能滿足更多需求，于是就開辟了ROS2，并把之前的版本統(tǒng)稱ROS1。

展開來看，ROS系統(tǒng)最早起源于2007年斯坦福大學人工智能實驗室的STAIR項目與機器人技術公司W(wǎng)illow Garage的個人機器人項目（Personal Robotics Program）之間的合作，2008年之后由Willow Garage公司推動其發(fā)展。幾番測試后于2010年推出了正式發(fā)行版本：ROS Box Turtle。比較有趣的是，ROS各版本均以龜作為發(fā)行代號，至今已設計出十多種造型奇特的“ROS龜”。而每一次ROS發(fā)布新版都會按照字母順序改一個名字。例如ROS Box Turtle后是ROS C Turtle，再是Diamondback……2020年5月發(fā)布的ROS Noetic Ninjemys則到了字母“N”，也是ROS1的最后一個版本。

圖2：4個ROS版本及其ROS龜海報

從2008年至2013年，ROS主要由Willow Garage公司管理維護，但這并不意味著ROS是封閉的系統(tǒng)。相反，ROS由眾多學校及科研機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)及維護的，這種聯(lián)合開發(fā)模式也為ROS系統(tǒng)生態(tài)的構(gòu)建與壯大帶來有力的促進。2013年，Willow Garage公司被Suitable Technologies公司收購，此前幾個月，ROS的開發(fā)和維護管理工作被移交給了新成立的開源基金會Open Source Robotics Foundation。而隨著ROS的優(yōu)化和豐富，對ROS的要求也越來越多，一些原始架構(gòu)和設計已經(jīng)不能夠滿足，于是催生了ROS2。經(jīng)歷幾個測試版后，2017年ROS2正式發(fā)布了Ardent Apalone版本，之后每版升級同樣是迭代一個字母和ROS龜海報。最新一版ROS2是今年5月份剛發(fā)布的Humble Hawksbill。

03 為什么智能汽車選擇ROS

上文提到，智能駕駛汽車就是一種機器人。但是當智能汽車選擇開發(fā)框架的時候，為什么會這么多人選擇ROS呢？肯定不是因為它的名字里有“Robot”這么簡單。而結(jié)合上文提到的ROS1和ROS2時間線，這個關于智能駕駛的選擇肯定在ROS1上開始的。究其原因，有這3個重要因素：

1.已有的開源代碼豐富。

許多智能駕駛需要用到的算法，都能在ROS生態(tài)中找到已經(jīng)成熟的代碼。例如建立地圖的算法，使用激光雷達或GPS定位算法，沿著地圖規(guī)劃路徑算法，避開障礙物的算法，攝像頭視覺處理算法等等。..。..這些輪式機器人導航所需的算法在ROS上是現(xiàn)成的，幾乎都可以直接適用于智能駕駛汽車。

2.具備配套的可視化工具。

ROS自帶一套圖形工具，可以方便地記錄和可視化傳感器捕獲的數(shù)據(jù)，并以全面的方式表示車輛的狀態(tài)。此外，它還提供了一種簡單的方法來實現(xiàn)定制化的可視化需求。這在開發(fā)控制軟件和調(diào)試代碼時非常有用。如果您曾經(jīng)在電腦前看過智能駕駛汽車傳感器的原始數(shù)據(jù)，做過調(diào)試，相信您會深刻理解一個靠譜的數(shù)據(jù)可視化工具是有多么重要。

圖3：利用ROS RVIZ三維可視化點云數(shù)據(jù)

3.簡單好上手。

在開展一個新領域的時候，沒有什么比把東西先做出來更重要了。基于ROS來開發(fā)一個智能駕駛汽車項目是比較簡單的。例如從一個簡單的輪式機器人開始，配備一對輪子、一個攝像頭、一個激光掃描儀和ROS導航軟件棧，開發(fā)者可以在幾個小時內(nèi)就可以完成設置，讓小車自主行進避障。這種快速上手也可以幫助新手快速理解整個運作基礎和框架，然后再轉(zhuǎn)向更專業(yè)更深入的研究。某寶上就有很多基于ROS的智能小車，很多機構(gòu)也是基于這些套件開展智能駕駛培訓的。

04 ROS1在汽車應用上的弱點

當然，ROS并不是完美的，尤其是ROS1應用在智能汽車上存在不少局限性。早年間ROS1應用于智能駕駛研發(fā)時，正是由于這些局限性，各大公司都需要在ROS上進行二次開發(fā)，以滿足智能汽車要求。那ROS1究竟有哪些弱點呢？

1.單點失效。

如下圖所示，ROS1的通訊機制是存在主從結(jié)構(gòu)的。也就是節(jié)點之間的通訊都依賴于一個Master。在這種集中式通訊方式下，如果Master失效了，那么系統(tǒng)就會崩潰。這在汽車行業(yè)功能安全的要求下，無疑是太脆弱了。

圖4：ROS1通訊機制示意圖

2.實時性差。

ROS1就是基于Linux操作系統(tǒng)之上的。Linux原生不是實時操作系統(tǒng)，ROS1自然也沒有實時性的設計考慮。ROS1設計之初更多地從實現(xiàn)最高性能的角度出發(fā)，在任務調(diào)度和線程切換等機制設計上并沒有保證實時性所要求的“確定時間”。例如汽車動力底盤域常見的輪速信號就很容易在原生ROS1中失真。

3.缺乏網(wǎng)絡安全機制。

ROS1并沒有實現(xiàn)任何安全機制來防止第三方進入ROS1網(wǎng)絡并讀取節(jié)點之間的通信。這意味著任何能夠進入汽車網(wǎng)絡的人都可以進入ROS1的信息傳遞并劫持汽車。這在汽車網(wǎng)絡安全法規(guī)日益嚴格的背景下，也無疑是力不從心的。

05 ROS1與ROS2

早年間，各大公司都針對ROS1弱點做了很多優(yōu)化，以讓其適用于汽車。而這些研究和改進當然也反饋到ROS組織本身，所以也就有了上文提到的ROS2。那么ROS1和ROS2有什么差別呢？ROS2對這些弱點有改進嗎？話不多說，我們先來看看兩者的系統(tǒng)架構(gòu)框圖對比。

圖5：ROS1和ROS2的系統(tǒng)架構(gòu)框圖對比

由下往上看，在操作系統(tǒng)層，ROS2比ROS1支持的底層操作系統(tǒng)更多，也支持實時操作系統(tǒng)（RTOS）了。這就讓ROS2可以支持更多樣化的嵌入式硬件，例如汽車應用中一些輕量化的ECU。

在中間層，ROS1更多地依賴TCP和UDP協(xié)議，而在ROS2中則引入了DDS。DDS全稱是Data Distribution Service 數(shù)據(jù)分發(fā)服務，是一種分布式實時通信中間件協(xié)議，也是一個被很多公司實現(xiàn)的工業(yè)標準。DDS采用發(fā)布/訂閱體系架構(gòu)，強調(diào)以數(shù)據(jù)為中心，提供豐富的服務質(zhì)量（QoS）策略，以保障數(shù)據(jù)進行實時、高效、靈活地分發(fā)。

正是基于DDS的通訊機制，ROS的應用層就不再需要Master節(jié)點。節(jié)點之間采用自發(fā)現(xiàn)機制，找到彼此，進而建立穩(wěn)定的通信連接。這對于滿足功能安全需求，有很大幫助。當然，ROS1和ROS2的應用層軟件接口是匹配的，讓ROS1上開發(fā)的應用軟件能快速復用部署到ROS2上，也是ROS2的設計目標。

由此可見，上文提到的ROS1在汽車應用上的弱點，在ROS2上都得到了針對性甚至是根本性的改善。

06 ROS與AUTOSAR Adaptive

在汽車領域談軟件，自然是離不開AUTOSAR的。這些年汽車硬件和軟件的發(fā)展本身也是日新月異。AUTOSAR也是在這背景下不斷優(yōu)化和自我革新，AUTOSAR Adaptive就是針對多核動態(tài)操作系統(tǒng)的高資源環(huán)境在奮起直追，希望站穩(wěn)汽車軟件架構(gòu)老大的地位。ROS2和AUTOSAR Adaptive都是中間件，那它們在不斷升級進化的過程中，有沒有朝著某個共同的方向，進而出現(xiàn)交匯點？答案是有的。最明顯的就是DDS的通訊機制。

圖6：DDS在AUTOSAR Adaptive通訊中的位置

如上圖所示，AUTOSAR Adaptive中的通訊管理模塊就加入了DDS的部分，并對DDS相應的功能安全和網(wǎng)絡安全都作了定義和描述。通過ara：：com可以統(tǒng)一CAN PDU、SOME/IP和DDS的通訊。而DDS就是ROS2中最核心的部分。所以聚焦于這個匯合點，可以結(jié)合ROS2和AUTOSAR，取兩者之所長。

事實上這個關鍵點已經(jīng)被很多公司企業(yè)抓住，并開發(fā)出了不少商用的產(chǎn)品。例如下圖就是Apex.AI公司的產(chǎn)品示意圖。Apex.AI將Apex.OS節(jié)點（匹配ROS節(jié)點）與AUTOSAR Adaptive和AUTOSAR Classic平臺連接起來。AUTOSAR arxml（包含數(shù)據(jù)類型和接口的描述）可以直接作為配置輸入。這使得設置可以靈活應對服務定義的變化。ROS Topic的數(shù)據(jù)最終可以在AUTOSAR ara：：com或RTE中使用。

圖7：Apex.AI公司統(tǒng)一ROS和AUTOSAR的產(chǎn)品示意圖（來源：Apex.AI）

07 寫在最后

智能汽車的發(fā)展是個復雜而又漫長的過程，期間需要不斷的技術迭代和功能創(chuàng)新。對于個體開發(fā)人員來說，站在巨人的肩膀上來迎接這過程中的挑戰(zhàn)十分重要。ROS（尤其ROS2）就是其中一個巨人肩膀。希望本文能為之前沒接觸ROS的同仁提供一個初步印象，有所幫助。

審核編輯：郭婷